In einem Projekt sollten zwei Energieerzeugungsanlagen – ein Heizkessel sowie ein Blockheizkraftwerk – hinischtlich ihres Betriebsverhaltens analysiert werden. Allgemein spielen bei der energetischen Untersuchung von solchen Anlagen Temperaturverläufe und Wärmemengen eine wichtige Rolle, denn hierüber lassen sich Informationen über das dynamische Lastverhalten ermitteln. Aus den gewonnenen Erkenntnissen können dann Möglichkeiten für Optimierungen abgeleitet werden.

Abbilung 1: Heizungsverteiler

Für die Aufzeichung von Temperaturverläufen auf mehreren Kanälen gab es jedoch keine einfache Fertiglösung zu kaufen. Die Anforderungen an das Messsystem waren tatsächlich sogar noch höher, da neben den Temperaturen gleichzeitig auch Impulse gezählt werden sollten. Denn mit jeweils zwei Temperatursensoren und den Impulsen, die von den bestehenden Wasseruhren im Heizungskreislauf abgegriffen werden, kann die umgesetzte Wärmemenge berechnet werden.

Abbildung 1 zeigt den Heizungsverteiler an dem die Messungen vorgenommen werden sollten. Jeweils zwei Abgänge gehören zu einem Kreislauf. In der Heizungstechnik spricht man dabei von Vor- und Rücklauf. In den Rohren des Vorlaufs wird das vom Wärmeerzeuger aufgeheizte Wasser an den Verbraucher geliefert und nach der Wärmeabgabe beim Verbraucher, zum Beispiel einem Heizkörper, wird das abgekühlte Wasser über den Rücklauf zurückgeführt. Die großen roten Bauteile in der Mitte sind die Wasseruhren und das grüne Element ist eine Umwälzpumpe.

Um genaue Ergebnisse zu erhalten, muss die Temperaturmessung möglichst im Inneren des Heizungsrohres erfolgen, da das Rohr nach außen hin abkühlt. Im vorliegenden Fall war es von Vorteil, dass bereits durch vorherige Messungen gängige Platinsensoren (PT100) in Tauchhülsen verbaut waren. Die Platinsensoren sind temperaturabhängige Widerstände, die aufgrund ihrer Eigenschaften häufig für Temperaturmessungen eingesetzt werden.

Die erste Aufgabe bestand demnach in der Messung von Widerständen. Elektrotechnisch wird dies zum Beispiel über eine sogenannte Messbrücke umgesetzt (Abbildung 2). Diese besteht aus zwei Spannungsteilern, also in Summe drei Widerständen und dem Platinsensor. In der Messbrücke ergibt sich dann aus der temperaturabhängigen Widerstandsänderung eine variable Spannung, die direkt gemessen werden kann. Die Messbrücke selbst darf aber nicht mit einer hohen Stromentnahme belastet werden, weshalb das von ihr ausgegebene Signal noch verstärkt werden muss. Dies geschieht jeweils durch einen vorgeschalteten Operationsverstärker, der ebenso noch eine kleine zusätzliche Beschaltung benötigt. Zum Schluss liegt dann zwar ein gut aufbereitetes Messsignal vor, allerdings in analoger Form – das heißt, es ist zusätzlich noch ein Analog-Digital-Wandler (AD-Wandler, hier: ADS1115) notwendig. Da insgesamt vier Temperatursensoren angeschlossen werden sollten, musste die Schaltung auch vier Mal aufgebaut werden.

Die Impulse der Wasseruhren lassen sich verhältnismäßig einfach erfassen, da die Wasseruhren über einen internen Schalter verfügen, der nach einem bestimmten Wasservolumen  einmal kurz geschlossen wird. Zur Messung wird in den Stromkreis des Schalters ein Vorwiderstand eingebaut (Pull-Up) und eine äußere Spannung angelegt. Signaltechnisch wird dann letztlich der Wechsel zwischen niedriger Spannung (Schalter offen) und hoher Spannung (Schalter geschlossen) erfasst.

Abbildung 3: Aufgebauter Datenlogger

Für die Aufzeichnung der Daten wurde ein Raspberry Pi ausgewählt, da dieser kleine Computer verhältnismäßig einfach programmiert werden kann. Beim Ausschalten „vergisst“ der Raspberry Pi aber leider seine Uhrzeit, wenn er über keine Internetverbindung verfügt. Dies ist für die Anwendung als Datenlogger nicht sinnvoll, wehalb zusätzlich noch ein eigenes Uhr-Modul (RTC DS1307) angeschlossen wurde. Abbildung 3 zeigt den finalen Aufbau: links wurde der Raspberry Pi montiert und rechts oben sind die Klemmen für den Anschluss der Temperatursensoren und Impulsgeber sowie die Messbrücken und der Operationsverstärker zu sehen. Im Bild unten ist das Uhr-Modul durch die große Lithiumbatterie zu erkennen. Nicht zu sehen ist der Mehrkanal AD-Wandler, dieser befindet sich unter der Platine.

Wenn schließlich alle Bauteile richtig verdrahtet sind, kann der Raspberry Pi eingerichtet und programmiert werden. Dies beginnt mit der Installation der zugehörigen Linux-Distibution. Die eigentliche Programmierung erfolgt dann am einfachsten in der Sprache Python, die von Haus aus unterstützt wird. Das Programm besteht aus zwei Ablaufpfaden: der erste fragt regelmäßig die Eingangsspannungen des AD-Wandlers ab und konvertiert die Werte so, dass sie den gemessenen Temperaturen in der Einheit Celsius entsprechen. Der zweite Pfad befindet sich durchgehend in Wartestellung und reagiert nur beim Auftreten eines Impulses, der einen sogenannten Interrupt erzeugt. In diesem Moment werden dann die Temperaturwerte abgefragt und zusammen mit dem Zeitpunkt des letzten Impulses die umgesetzte Wärmemenge berechnet. Die Werte aus beiden Pfaden werden zum Schluss in eine Datenbank geschrieben, um sie später per Web-Interface auslesen zu können.

Der Datenlogger kann pro Sekunde zahlreiche Werte aufnehmen und Daten theoretisch über viele Jahre hinweg aufzeichnen. In der Praxis werden die Messungen mit dem mobilen Gerät meist aber dann beendet, wenn Erkenntnisse über das Betriebsverhalten vorliegen. Im vorliegenden Fall konnte beispielsweise das häufige Takten des Heizungskessels und die Auswirkungen eines defekten Schiebers sichtbar gemacht werden.

Genauere Informationen zum Aufbau der Hard- und Software teile ich auf Anfrage gerne mit!